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CN116435541A - 一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统及方法 - Google Patents

一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统及方法 Download PDF

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CN116435541A CN202310241238.2A CN202310241238A CN116435541A CN 116435541 A CN116435541 A CN 116435541A CN 202310241238 A CN202310241238 A CN 202310241238A CN 116435541 A CN116435541 A CN 116435541A
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梁文兴
葛艺
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Abstract

本发明公开了一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统及方法，所述系统包括生物质气化装置、固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池；固体氧化物电解池的阳极电解产物分为三部分，分别作为生物质气化原料、氧化剂和氧气存储；所述固体氧化物燃料电池的阳极产物与氧化剂燃烧做功后，一部分提供给生物质气化装置作为原料，另一部分提供给固体氧化物电解池作为电解原料；本发明通过BG‑SOFC发电系统和SOEC共电解系统的协调控制，该系统除可实现高效率发电外，还能对烟气中CO2和H2O以及其包含的能量充分回收，进而实现整个系统的负碳排放。

Description

一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统及方法
技术领域
本发明涉及生物质发电技术领域，具体涉及一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统及方法。
背景技术
全球变暖和能源危机给人类的生存和发展带来了巨大挑战。大量温室气体，尤其是二氧化碳的排放使得温室效应急剧加剧。减少发电过程中的碳排放，提高能源转换效率以及可再生能源高效利用被认为是解决这一问题的有效手段。与太阳能、风能等可再生能源相比生物质能具有连续发电的优势。与燃烧、发酵、热解等传统生物质高效利用方式相比，气化具有污染物排放低、合成气体积大、转化效率高等优点，受到了全世界研究者的广泛关注。在生物质气利用场景中，与其他原动机相比，固体氧化物燃料电池展现出高发电效率和低污染性等特点。此外，固体氧化物电解池还具有燃料适应性强，电解效率高的特点，这为实现高效碳捕集提供了可能。
发明人发现，现有的固体氧化物燃料电池/固体氧化物电解池/生物质气化技术一体化方案中，因固体氧化物电解池耗能高，因此，系统发电效率还有待提高，此外由于烟气中二氧化碳浓度低，所需捕捉能耗高，而现有技术大多都未对二氧化碳进行捕捉。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统和方法，以解决现有生物质发电系统发电效率低、二氧化碳捕捉能耗高的问题。
本发明的技术方案如下：
在本发明的第一方面，一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统，包括生物质气化装置、固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池；
其中，所述生物质气化装置为固体氧化物燃料电池提供阳极原料，所述固体氧化物电解池的阴极电解产物作为固体氧化物燃料电池阳极原料的补充；
固体氧化物电解池的阳极电解产物分为三部分，分别作为生物质气化原料、氧化剂和氧气存储；所述固体氧化物燃料电池的阳极产物与氧化剂燃烧做功后，一部分提供给生物质气化装置作为原料，另一部分提供给固体氧化物电解池作为电解原料。
在本发明的一些实施方式中，所述生物质气化装置的原料入口分别与第一分流器、第二分流器以及生物质源相连，生物质气化装置的合成气出口依次连接第二空气加热器、合成压缩机和第一混合器。
在本发明的一些实施方式中，水源依次经过水泵、水加热器、第二混合器与第一混合器相连，所述第一混合器的出口与固体氧化物燃料电池的阳极原料入口相连。
在本发明的一些实施方式中，所述第二混合器的入口还与固体氧化物电解池的阴极产物出口相连。
在本发明的一些实施方式中，空气经过空气压缩机、第一空气加热器、第二空气加热器、第三空气加热器与固体氧化物燃料电池的阴极原料入口相连。
在本发明的一些实施方式中，所述固体氧化物燃料电池的阴极产物出口依次连接空气轮机、第一空气加热器、水加热器。
在本发明的一些实施方式中，所述固体氧化物燃料电池的阳极产物出口依次连接燃烧室、燃气轮机、第一分流器，所述第一分流器的一个出口与生物质气化装置相连，另一个出口经过第三空气加热器与固体氧化物电解池的原料入口相连。
在本发明的一些实施方式中，所述固体氧化物电解池的阳极电解产物出口与第二分流器相连，所述第二分流器上设置三个出口，分别连接生物质气化装置、燃烧室、氧气存储装置。
在本发明的一些实施方式中，所述固体氧化物电解池的电力由固体氧化物燃料电池提供。
在本发明的第二方面，提供了一种基于生物质高效利用负碳排放发电方法，包括：固体氧化物燃料电池在发电提供电力的同时，将自身产生的高温烟气一部分通过生物质气化装置回收，另一部分烟气则作为固体氧化物电解池的高温原料；同时，固体氧化物电解池将电解产物供给固体氧化物燃料电池，其中阴极电解产物作为固体氧化物燃料电池的电化学反应补充原料，阳极电解产物作为固体氧化物燃料电池富氧燃烧和生物质气化的原料。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的系统基于能量梯级利用的原理将生物质气化-固体氧化物燃料电池(BG-SOFC)发电系统和固体氧化物电解池(SOEC)共电解系统高度集成。BG-SOFC发电系统提供电力的同时，将自身产生的部分高温烟气(CO2+H2O)通过气化装置回收，另一部分烟气则作为SOEC共电解系统的高温原料；同时，SOEC共电解系统将电解产物(主要包含CO+H2+O2)供给BG-SOFC发电系统，其中CO+H2作为SOFC电化学反应补充原料，O2作为BG-SOFC发电系统富氧燃烧和生物质气化的原料。通过BG-SOFC发电系统和SOEC共电解系统的协调控制，该系统除可实现高效率发电外，还能对烟气中CO2+H2O以及其包含的能量充分回收，进而实现整个系统的负碳排放。该系统及以此为基础的改进型可以在生物质发电领域发挥重要作用。
本发明的系统通过设置的空气轮机和燃气轮机可以将固体氧化物燃料电池的阴极产物和阳极产物转化为机械功使用，通过设置的多个空气加热器和水加热器，实现将固体氧化物燃料电池的阴极产物和阳极产物的热能进行回收利用；固体氧化物电解池的电能来源于固体氧化物燃料电池，无需提供额外的电能；该系统能够实现系统中各种能量的充分回收利用，在保证高效率发电的同时实现整个系统的负碳排放。
附图说明
图1为基于生物质高效利用负碳排放发电系统示意图。
其中，1、生物质；2、第一部分高温烟气；3、合成气；4、低温合成气；5、高温高压合成气；6、阳极原料；7、阳极产物；8、燃烧产物；9、第二做功后气体；10、第二部分高温烟气；11、电解原料；12、阴极电解产物；13、阳极电解产物；14、第一部分氧气；15、第二部分氧气；16、第三部分氧气；17、空气；18、压缩空气；19、一次加热空气；20、二次加热空气；21、阴极原料；22、阴极产物；23、第一做功后气体；24、一次降温气体；25、二次降温气体；26、水源；27、加压水；28、水蒸气；29、混合气；
AB为燃烧室；AC为空气压缩机；AH1为第一空气加热器；AH2为第二空气加热器；AH3为第三空气加热器；WP为水泵；WH为水加热器；M1为第一混合器；M2为第二混合器；SC为合成气压缩机；SOFC为固体氧化物燃料电池；T1为空气轮机；T2为燃气轮机；SP1为第一分流器；SP2为第二分流器；GAS为生物质气化装置；SOEC为固体氧化物电解池；OSU为氧气存储装置；Inv为逆变器。
具体实施方式
实施例1
本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统，包括生物质气化装置GAS、固体氧化物燃料电池SOFC和固体氧化物电解池SOEC，其中，所述生物质气化装置GAS为固体氧化物燃料电池SOFC提供阳极原料，所述固体氧化物电解池SOEC的阴极电解产物作为固体氧化物燃料电池SOFC阳极原料的补充；固体氧化物电解池SOEC的阳极电解产物分为三部分，分别作为生物质气化原料、氧化剂和氧气存储；所述固体氧化物燃料电池SOFC的阳极产物与氧化剂燃烧做功后，一部分提供给生物质气化装置作为原料，另一部分提供给固体氧化物电解池作为电解原料。
具体的，生物质气化装置GAS是利用热化学反应将固态生物质转换为气体燃料的过程，所述生物质气化装置的原料入口分别与第一分流器SP1、第二分流器SP2以及生物质1相连，生物质气化装置GAS的合成气3出口依次连接第二空气加热器AH2、合成压缩机SC和第一混合器M1相连。
固体氧化物燃料电池SOFC属于高温燃料电池，以碳氢化合物作为其发电的燃料，将燃料的化学能转化为电能，实现发电。水源26依次经过水泵WP、水加热器WH、第二混合器M2与第一混合器M1相连，所述第一混合器M1的出口与固体氧化物燃料电池SOFC的阳极原料入口相连；所述第二混合器M2的入口还与固体氧化物电解池SOEC的阴极产物出口相连。空气17经过空气压缩机AC、第一空气加热器AH1、第二空气加热器AH2、第三空气加热器AH3与固体氧化物燃料电池SOFC的阴极原料入口相连。所述固体氧化物燃料电池SOFC的阴极产物出口依次连接空气轮机T1、第一空气加热器AH1、水加热器WH。所述固体氧化物燃料电池SOFC的阳极产物出口依次连接燃烧室AB、燃气轮机T2、第一分流器SP1，所述第一分流器SP1的一个出口与生物质气化装置GAS相连，另一个出口经过第三空气加热器AH3与固体氧化物电解池SOEC的原料入口相连。
固体氧化物电解池SOEC是反向运行的固体氧化物燃料电池，在外加电压、高温下进行电解反应，实现将电能和热能转化为化学能，所述固体氧化物电解池SOEC的阳极电解产物出口与第二分流器SP2相连，所述第二分流器SP2上设置三个出口，分别连接生物质气化装置GAS、燃烧室AB、氧气存储装置OSU。
在本实施例中，所述固体氧化物电解池SOEC的电力由固体氧化物燃料电池SOFC提供，固体氧化物燃料电池SOFC还与逆变器Inv相连，实现电能的应用。
本实施例提供的基于生物质高效利用负碳排放发电系统的工作原理如下：
生物质1与来自第一分流器SP1含有H2O和CO2的第一部分高温烟气2及来自第二分流器SP2的第三部分氧气16在生物质气化装置GAS中发生气化反应，生成合成气3；接着合成气3通过第二空气加热器AH2对来自第一次空气加热器AH1的一次加热空气19进行加热，合成气温度降低，变成低温合成气4，然后被合成气压缩机SC压缩送至第一混合器M1；同时，外部水源26通过水泵WP加压，成为加压水27，并经过水加热器WH加热变成水蒸气28，被送至第二混合器M2，在第二混合器M2中与来自固体氧化物电解池SOEC的阴极电解产物12(主要含有CO和H2)混合；接着混合气29在第一混合器M1中与高温高压合成气5混合后，作为SOFC阳极原料6。
大气中的空气17通过空气压缩机AC压缩后，依次通过第一空气加热器AH1、第二空气加热器AH2、第三空气加热器AH3加热后作为阴极原料21送至固体氧化物燃料电池SOFC的阴极；然后，阴级原料21和阳极原料6在固体氧化物燃料电池SOFC内发生电化学反应，产生电能，接着通过逆变器Inv将直流电转化为交流电。
阴极产物22推动空气轮机T1对外做功后，即第一做功后气体23，依次通过第一空气加热器AH1和水加热器WH对外释放热量，最后被排至大气；阳极产物7与来自第二分流器SP2的第一部分氧气14在燃烧室AB化学计量数燃烧(CO2和H2O被富集)；燃烧产物8通过燃气轮机T2对外做功后，即第二做功后气体9被送至第一分流器SP1被分成两部分，其中，第一部分高温烟气2被直接送至生物气化装置作为气化剂(无需提供额外的热量)，第二部分高温烟气10通过第三空气加热器AH3释放热量后被送至固体氧化物电解池SOEC作为电解原料11(无需提供额外的热量)。
固体氧化物电解池SOEC的电力由固体氧化物燃料电池SOFC提供，电解原料11来自第三空气加热器AH3；阳极电解产物13(O2)被分成三部分，第一部分氧气14作为固体氧化物燃料电池SOFC阳极产物燃烧的氧化剂，第二部分氧气15则被储存在氧气存储装置OSU中，第三部分氧气16被用作生物质气化装置GAS的部分气化剂；阴极电解产物12被送至第二混合器M2作为固体氧化物燃料电池SOFC的阳极补充原料。
实施例2
本发明的一种典型的实施方式中，提出一种基于生物质高效利用负碳排放发电方法，包括：固体氧化物燃料电池在发电提供电力的同时，将自身产生的高温烟气一部分通过生物质气化装置回收，另一部分烟气则作为固体氧化物电解池的高温原料；同时，固体氧化物电解池将电解产物供给固体氧化物燃料电池，其中阴极电解产物作为固体氧化物燃料电池的电化学反应补充原料，阳极电解产物作为固体氧化物燃料电池富氧燃烧和生物质气化的原料。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，包括生物质气化装置、固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池；
其中，所述生物质气化装置为固体氧化物燃料电池提供阳极原料，所述固体氧化物电解池的阴极电解产物作为固体氧化物燃料电池阳极原料的补充；
固体氧化物电解池的阳极电解产物分为三部分，分别作为生物质气化原料、氧化剂和氧气存储；所述固体氧化物燃料电池的阳极产物与氧化剂燃烧做功后，一部分提供给生物质气化装置作为原料，另一部分提供给固体氧化物电解池作为电解原料。
2.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述生物质气化装置的原料入口分别与第一分流器、第二分流器以及生物质源相连，生物质气化装置的合成气出口依次连接第二空气加热器、合成压缩机和第一混合器。
3.如权利要求2所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，水源依次经过水泵、水加热器、第二混合器与第一混合器相连，所述第一混合器的出口与固体氧化物燃料电池的阳极原料入口相连。
4.如权利要求2所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述第二混合器的入口还与固体氧化物电解池的阴极产物出口相连。
5.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，空气经过空气压缩机、第一空气加热器、第二空气加热器、第三空气加热器与固体氧化物燃料电池的阴极原料入口相连。
6.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的阴极产物出口依次连接空气轮机、第一空气加热器、水加热器。
7.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的阳极产物出口依次连接燃烧室、燃气轮机、第一分流器，所述第一分流器的一个出口与生物质气化装置相连，另一个出口经过第三空气加热器与固体氧化物电解池的原料入口相连。
8.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池的阳极电解产物出口与第二分流器相连，所述第二分流器上设置三个出口，分别连接生物质气化装置、燃烧室、氧气存储装置。
9.如权利要求1所述的基于生物质高效利用负碳排放发电系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池的电力由固体氧化物燃料电池提供。
10.一种基于生物质高效利用负碳排放发电方法，采用权利要求1-9任一项所述的发电系统来实现，其特征在于，包括：固体氧化物燃料电池在发电提供电力的同时，将自身产生的高温烟气一部分通过生物质气化装置回收，另一部分烟气则作为固体氧化物电解池的高温原料；同时，固体氧化物电解池将电解产物供给固体氧化物燃料电池，其中阴极电解产物作为固体氧化物燃料电池的电化学反应补充原料，阳极电解产物作为固体氧化物燃料电池富氧燃烧和生物质气化的原料。
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